中图分类号: TV649 文献标识码:A doi: 10. 3969 / j. issn. 1000 - 1379. 2010. 05. 043
1 研究区域概况
黄河多沙粗沙区某骨干均质淤地坝,位于陕西省绥德县境内,控制流域面积为5. 0 km2 ,坝高为25. 0 m,设计洪水频率为50年一遇,泥沙淤积速度为0. 3 m / a,设计拦泥坝高为15. 0 m,滞洪坝高为8. 0 m,安全超高为2. 0 m。上游坡比为1 ∶2. 75,下游坡比为1 ∶3. 0,马道宽1. 0 m,坝顶宽4. 0 m,该坝有放水设施和溢洪道设施。目前,库区已淤泥厚20. 0 m,欲采取碾压加高方式将坝体加高5. 0 m。
2 消能工程的选取和设计
通过在原放水设施和溢洪道上游接新卧管、竖井、溢洪道和消力池,即组合消能的方式消能。由于淤地坝加高前水流速度不大,因此淤地坝加高后,水流经过新建卧管、竖井或溢洪道消能后,流入原卧管、竖井或溢洪道的流速很小,或与原放水设施和溢洪道设计流速大体一致。该组合消能有5种消能方式,在卧管上新建竖井、在卧管上新建卧管、在竖井上新建卧管、在竖井上新建竖井以及在溢洪道上新接溢洪道。通过新加消能工程降低淤地坝加高后的有效水头,防止水流对放水设施的冲刷破坏。
2. 1 对放水设施的改造
对老坝体放水设施(卧管或竖井)的消能改造方法如下:在上游新建卧管或竖井,再通过涵洞将卧管或竖井与原放水设施连接起来。控制指标为经过新卧管或竖井消能后,出流速度不大,避免直接加高卧管或竖井因没有削弱水头而对放水设施下游坝体的冲刷破坏。
2. 1. 1 建新卧管
卧管放水孔直径按小孔出流公式计算,一般按同时开启两孔或三孔计算。开启一孔时,孔上水头按一个台阶高度考虑;同时开启两孔、三孔时,分别按一个级差和两个级差考虑。确定放水孔直径时,需考虑放水孔之间的净距,根据实践经验,卧管孔间的垂直距离一般为0. 3～0. 6 m,笔者取0. 5 m,按5 d排完库容计算。开启一孔:
开启两孔:
开启三孔:
式中: d为放水孔直径, m; Q 为放水流量, m3 / s; H1、H2、H3 为各级孔上水深, m。
考虑水位变化引起放水孔调节,卧管断面尺寸与通过的流量比正常运用时加大20%～30% ,按明渠均匀流公式计算其过水断面:
式中:Q加为通过卧管的流量, m3 / s;ω为卧管断面面积, m2 ; C为谢才系数; R为水力半径, m; i为卧管纵坡。
经计算,新建卧管设计流量为1. 2 m3 / s,防水孔径为0. 5 m,消力池长、宽、深分别为6. 0、2. 0、1. 0 m,水流速度为0. 6 m / s。
2. 1. 2 加建新竖井
根据经验, 每立方米容积的消力井消能量为7. 5 ～ 8. 0kW[1 ] ,为了达到充分消能的目的,消力井应具有合理的尺寸。
水流能量:
E = 9. 81QH
消力井最小容积:
V = E /8 = 1. 23QH
孔口面积,一对放水孔同时放水时
两对放水孔同时放水时
式中: E为水流能量, kW; H为作用水头, 近似采用正常蓄水位与竖井底部高程之差, m; V为消力井的最小容积, m3 ;ω为孔口面积, m2 ; Q为要求放水流量, m3 / s;μ为流量系数; H1、H2 为孔口中心至水面的高度, m。
经计算,新建竖井设计流量为1. 2 m3 / s,防水孔长为0. 3m,消力孔宽为0. 3 m,消力井深为2. 0 m,消力井直径为2. 5 m,水流速度为0. 81 m / s。
2. 2 对溢洪道的改造
溢洪道分为混凝土或砌体构造溢洪道和在坚硬地基上直接开挖的沟槽溢洪道。对混凝土或砌体构造的溢洪道的改造方法有两种:一种是将上游进口处加高,将下游消力池加深、加长;另一种是将上游进口处加高,并根据设计在原溢洪道中间开挖一个新的消力池。对坚硬地基上直接开挖沟槽溢洪道的改造分为两种情况:一种是部分开挖并将新老溢洪道连接起来;另一种是全部开挖新建。
对溢洪道改造涉及溢洪道设计流量、溢洪道进口宽度、渐变槽水深及流速和消力池尺寸等几方面。首先根据流域面积和暴雨重现期,由经验公式计算设计流量, 由宽顶堰公式计算出口宽度,得出第一个流速v1 ;然后再确定出口渐变槽长度、坡度和出口水深,由前面所得参数计算降水曲线, 当实际陡坡长度小于计算降水曲线长度时,按变速流公式通过试算求得陡坡末端水深,最后计算新建消力池尺寸和出口流速v2。若v2 足够小、消力池布局合理,则消力池尺寸满足要求。最终确定的新建溢洪道设计流量为11. 6 m3 / s,堰顶宽8. 0 m,消力池长、宽、深分别为6. 0、2. 0、1. 0 m,水流速度为0. 6 m / s。
3 结语
按组合消能的方式对加高后骨干淤地坝放水设施和溢洪道进行改造设计,有效地降低了水头,避免了淤地坝放水设施直接加高对下游坝体的冲蚀,同时该处理方式结构简单、易施工,节约成本,为黄河多沙粗沙区骨干淤地坝加高加固提供了参考。
参考文献:
[ 1 ] 黄河上中游管理局. 淤地坝设计[M ]. 北京:中国计划出版社, 2004.
作者简介:郝伯瑾(1977—) ,男,河南信阳人,工程师,主要从事工程力学研究工作。
